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1、第五章功率放大电路第1页，共36页，编辑于2022年，星期三学习指导 前面已经介绍了一些电子电路，经过这些电路处理后的信号，往往要送到负载，去驱动一定的装置。例如，这些装置有收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等。这时我们要考虑的不仅仅是输出电压或电流的大小，而且要有一定的功率输出。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。本章以分析功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间的矛盾为主线，逐步提出解决矛盾的措施。第2页，共36页，编辑于2022年，星期三主要内容：1功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间的关系。2乙类、甲乙类功率放大电路
2、的组成、工作原理、各项指标的计算及BJT的选择。学习目标：1熟练掌握如何解决输出功率、效率和非线性失真三者之间的矛盾；2要熟练掌握乙类互补对称功率放大电路的组成、分析计算和功率BJT的选择；3正确理解甲乙类互补对称功放电路的工作原理及计算；4了解各种功率器件及散热问题；5了解集成功率放大器的使用。第3页，共36页，编辑于2022年，星期三学习方法：学习方法：本章是围绕输出功率、效率和非线性失真三者之间的矛盾展开讨论的，所以：1必须先弄清为什么要把功率放大电路的静态工作点下移，使放大器由甲类变为乙类，又由乙类变为甲乙类的原因。2由于乙类、甲乙类放大器的输出具有明显的失真，学生要熟练掌握乙类互补对
3、称功率放大电路是怎样解决非线性失真的，即互补对称电路组成原理。3抓住输出的最大幅值，以乙类互补对称功放为例，掌握功率放大器的分析计算和功率BJT的选择。4了解交越失真产生的原因，正确理解甲乙类互补对称功放电路的工作原理及计算。第4页，共36页，编辑于2022年，星期三 共射放大器 共集放大器 共基放大器 有电压放大 无电压放大 有电压放大 有电流放大 有电流放大 无电流放大 无论是功率放大电路、电压放大电路，还是电流放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，上述称呼上的区别只不过是它们各自强调的输出量不同而已。概概 述述第5页，共36页，编辑于2022年，星期三例例1：扩音系统扩音系统
4、执行机构执行机构 功率放大器的作用：功率放大器的作用：用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱动动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指仪表指针偏转等。针偏转等。功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取第6页，共36页，编辑于2022年，星期三例例2：温度控制温度控制R1-R3:标准电阻标准电阻Ua:基准电压基准电压Rt:热敏电阻热敏电阻A：电压放大器：电压放大器RtTUO室温室温T 温度调节温度调节过程过程UbUO1uoR1aR2VCC+R3Rt 功功率率放放大大b温控室温控室A+-uo1加加热热元元件件第7页，共36页，编辑于
5、2022年，星期三例例3：典型的收音机电路典型的收音机电路变频变频低频低频中放中放功放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW电源供给的功率：电源供给的功率：PDC=EcIc=120mW转换效率：转换效率：电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电路电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电路中的工作管必须加散热片。中的工作管必须加散热片。检波检波第8页，共36页，编辑于2022年，星期三电压放大器与功率放大器的区别：电压放大器与功率放大器的区别：1.1.任务不同任务不同：电压放大电压放大不失真地提高输入信号的幅度，以驱动后面不失真地提高输入信号的
6、幅度，以驱动后面的功率放大级，通常的功率放大级，通常工作在小信号状态工作在小信号状态。功率放大功率放大信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，通常率，通常工作在大信号状态工作在大信号状态。2 2.分析方法分析方法：电压放大电压放大采用小信号模型分析法和图解法采用小信号模型分析法和图解法 功率放大功率放大图解法图解法第9页，共36页，编辑于2022年，星期三5.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题1.功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点 功率放大电路是以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得尽可能大的输出功率，必须使 输出信号电压大 输
7、出信号电流大 放大电路的输出电阻与负载匹配 管子工作在接近极限状态 一般直接驱动负载，带载能力要强。第10页，共36页，编辑于2022年，星期三2.功率放大电路中的一些特殊问题功率放大电路中的一些特殊问题(1)要求要求尽可能大的输出功率尽可能大的输出功率。管子工作在极限工作状态。管子工作在极限工作状态。(2)效率效率 =负载得到的有用信号功率负载得到的有用信号功率Po电源供给的直流功率电源供给的直流功率PDC(3)非线性失真要小非线性失真要小。在大信号状态工作必然引起信号失真，这就存在增大输在大信号状态工作必然引起信号失真，这就存在增大输出功率和信号失真之间的矛盾，这就要求在电路结构上进行出功
8、率和信号失真之间的矛盾，这就要求在电路结构上进行改进，尽可能地提高输出功率并减小非线性失真。改进，尽可能地提高输出功率并减小非线性失真。(4)半导体三极管散热的问题半导体三极管散热的问题3.提高效率的途径提高效率的途径 降低静态功耗，即减小静态电流。降低静态功耗，即减小静态电流。第11页，共36页，编辑于2022年，星期三4.三种工作状态三种工作状态 三三极极管管根根据据正正弦弦信信号号整整个个周周期期内内的的导导通通情情况况，可可分分为以下几个工作状态：为以下几个工作状态：乙类：乙类：导通角等于导通角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于1
9、80丙类：丙类：导通角小于导通角小于180#用哪种组态的电路作功率放大电路最合适？用哪种组态的电路作功率放大电路最合适？用哪种组态的电路作功率放大电路最合适？用哪种组态的电路作功率放大电路最合适？动画一第12页，共36页，编辑于2022年，星期三 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （OTL电路）电路）无输出电容形式无输出电容形式 （OCL电路）电路）OTL:Output TransformerLessOCL:Output CapacitorLess互补对称：互补对称：电路中采用两支晶体管，电路中采用两支晶体管，NPN、PNP各一支；两管特性一致。各一支；两
10、管特性一致。类型：类型：5.互补对称功率放大电路的分类互补对称功率放大电路的分类第13页，共36页，编辑于2022年，星期三5.2.1 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路1.电路组成电路组成 由一对由一对NPN、PNP特性相同的互补三特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为种电路也称为OCL互补功率放大电路。互补功率放大电路。2.工作原理工作原理 两个三极管在信号的正、负两个三极管在信号的正、负半周轮流导通，使半周轮流导通，使负载得到一个负载得到一个完整的波形。完整的波形。无输出电容的互补对称功放电路（无输出电容
11、的互补对称功放电路（OCL电路）电路）第14页，共36页，编辑于2022年，星期三ic1ic2动态分析：动态分析：(忽略导通压降）忽略导通压降）vi 0VT1截止，截止，T2导通导通vi 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;vi-VCCT1T2vo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为为乙类放大乙类放大。因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。静态分析：静态分析：vi=0V T1、T2均不工作均不工作 vo=0V第15页，共36页，编辑于2022年，星期三ic1uBEIcm1Qic2uBEIcm2Q
12、Q动画二第16页，共36页，编辑于2022年，星期三3.分析计算分析计算（1）最大不失真输出功率）最大不失真输出功率Pomax实际输出功率实际输出功率Po第17页，共36页，编辑于2022年，星期三3.分析计算分析计算单个管子在半个周期内的管耗单个管子在半个周期内的管耗（2）管耗）管耗PT两管管耗两管管耗最大管耗与最大输出功率的关系最大管耗与最大输出功率的关系选管依据之一选管依据之一第18页，共36页，编辑于2022年，星期三3.分析计算分析计算（3）电源供给的功率）电源供给的功率PV当当（4）效率）效率 当当第19页，共36页，编辑于2022年，星期三4、功率管极限参数限制、功率管极限参数限
13、制VcmiL-VCCRLviT1T2Vo+VCC由由得得第20页，共36页，编辑于2022年，星期三 无输出变压器的互补对称功放电路（无输出变压器的互补对称功放电路（OTL电路）电路）一、特点一、特点1.单电源供电；单电源供电；2.输出端有大电容。输出端有大电容。二、静态分析二、静态分析则则 T1、T2 特性对称，特性对称，令：令：0.5VCCRLviT1T2+VCCCAvL+-VC5.2.2 乙类单电源互补对称功率放大电路乙类单电源互补对称功率放大电路第21页，共36页，编辑于2022年，星期三三、动态分析三、动态分析(忽略导通压降）忽略导通压降）设输入端在设输入端在 0.5VCC 直流电平
14、直流电平基础上加入正弦信号。基础上加入正弦信号。若输出电容足够大，若输出电容足够大，VC基本保基本保持在持在0.5VCC，负载上得到的交流，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越信号正负半周对称，但存在交越失真。失真。ic1ic2交越失真交越失真RLviT1T2+VCCCAUL+-时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；时，时，T1截止、截止、T2导通。导通。0.5VCCvit第22页，共36页，编辑于2022年，星期三四、输出功率及效率四、输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且若忽略交越失真的影响，且 vi 幅度足够大。则：幅度足够大。则：VOVOmaxvitt第23页，共36页，编辑
15、于2022年，星期三5.3 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题 当当输输入入信信号号在在0V0Vbebe之之间间变变化化时时，不不足足以以克克服服死死区区电电压压，三三极极管管不不导导通通。因因此此在在正正、负负半半周周交交替替过过零零处处会出现一些会出现一些非线性失真非线性失真，称之为，称之为交越失真交越失真。动画三第24页，共36页，编辑于2022年，星期三乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系:vi-VCCT1T2vo+VCCRLiL死区死区电压电压ViVoVoVo tttt交越失真交越失真iBiBuBE
16、tuitUT第25页，共36页，编辑于2022年，星期三5.3.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路1.静态偏置静态偏置可克服交越失真可克服交越失真2.动态工作情况动态工作情况二极管等效为恒压模型二极管等效为恒压模型#在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现反向在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现反向在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现反向在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现反向偏置状态？偏置状态？偏置状态？偏置状态？理想二极管理想二极管设设T3已有合适已有合适 的静态工作点的静态工作点第26页，共36页，编辑于2022年，星期三5.3.1 甲乙类双电源互补
17、对称电路甲乙类双电源互补对称电路VBE可认为是定值可认为是定值 R1、R2不变时，不变时，VCE也是定也是定值，可看作是一个直流电源值，可看作是一个直流电源 功放指标的分析计算功放指标的分析计算利利用乙类双电源互补对称功用乙类双电源互补对称功放的有关公式近似。放的有关公式近似。第27页，共36页，编辑于2022年，星期三5.3.2 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路1.静态偏置静态偏置2.动态工作情况动态工作情况 调整调整R1、R2阻值的阻值的大小，可使大小，可使此时电容上电压此时电容上电压#在怎样的条件下，电容在怎样的条件下，电容在怎样的条件下，电容在怎样的条件下，电容C C才
18、可充当负电源的角色？才可充当负电源的角色？才可充当负电源的角色？才可充当负电源的角色？此电路存在的问题：此电路存在的问题：K点电位受到限制点电位受到限制动画四R RL LC C足够大足够大第28页，共36页，编辑于2022年，星期三3.带自举电路的单电源功放带自举电路的单电源功放自举电路自举电路自举电路自举电路静态时静态时C3充电后，其两端充电后，其两端有一固定电压有一固定电压动态时动态时C3充当一个电源充当一个电源#在怎样的条件下，电容在怎样的条件下，电容在怎样的条件下，电容在怎样的条件下，电容C C3 3才能起到电源的作用？才能起到电源的作用？才能起到电源的作用？才能起到电源的作用？R R
19、3 3C C3 3足够大足够大第29页，共36页，编辑于2022年，星期三调节调节R,使静态使静态VAQ=0.5VCCD1、D2使使b1和和b2之之间的电位差等于间的电位差等于2个个二极管正向压降，克二极管正向压降，克服交越失真。服交越失真。Re1、Re2：电阻值：电阻值12，射极负反馈电阻，也起限射极负反馈电阻，也起限流保护作用。流保护作用。D1D2vi+VCCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A4.实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路第30页，共36页，编辑于2022年，星期三小小 结结 1、功率放大电路是在大信号下工作，通常采用图解法进行分析。研究的重点是如何在允许的失
20、真情况下，尽可能提高输出功率和效率。2 2、与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功放的主要优点是效率高，在理想情况下，其最大效率约为78.5%。为保证BJT安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限参数必须满足：PCMPT10.2 Pom，|V(BR)CEO|2VCC，ICMVCC/RL。第31页，共36页，编辑于2022年，星期三 3、由于BJT输入特性存在死区，工作在乙类的互补对称电路将出现交越失真。常利用二极管或VBE扩大电路进行偏置的甲乙类互补对称电路克服失真。4 4、在单电源互补对称电路中，计算输出功率、效率、管耗和电源供给的功率，可借用双电源互补对称电路的计算公式，但要用
21、VCC/2代替原公式中的VCC。5 5、在集成功放获得广泛应用的同时，大功率器件也发展迅速，主要有达林顿管、功率VMOSFET和功率模块。为了保证器件的安全运行，可从功率管的散热、防止二次击穿、降低使用定额和保护措施等方面来考虑。小小 结结第32页，共36页，编辑于2022年，星期三重点难点重点难点重点重点：(1)(1)功率放大电路的特殊问题。功率放大电路的特殊问题。(2)(2)乙类互补对称功率放大电路的组成、计算及功放乙类互补对称功率放大电路的组成、计算及功放BJTBJT的选择。的选择。第33页，共36页，编辑于2022年，星期三 1.功率放大电路的主要特点和要解决的主要问题是什功率放大电路
22、的主要特点和要解决的主要问题是什么？么？2.哪种组态的放大电路作为功率放大电路较合适哪种组态的放大电路作为功率放大电路较合适？为什么？为什么？3.提高功率放大电路效率的思路是什么？提高功率放大电路效率的思路是什么？4.单从效率的角度来考虑，哪种工作方式的功放单从效率的角度来考虑，哪种工作方式的功放效率最高？效率最高？5.乙类工作方式存在的突出矛盾是什么？乙类工作方式存在的突出矛盾是什么？6.互补对称功放电路是如何解决效率与失真这对矛盾互补对称功放电路是如何解决效率与失真这对矛盾的？的？第34页，共36页，编辑于2022年，星期三 9.乙类互补对称功放的效率在理想情况下可达到多少乙类互补对称功放
23、的效率在理想情况下可达到多少？13.功率器件在实际使用中应注意哪些问题？功率器件在实际使用中应注意哪些问题？10.单电源互补对称功放是如何工作的？单电源互补对称功放是如何工作的？11.单电源互补对称功放中的自举电路是用来解决单电源互补对称功放中的自举电路是用来解决什么问题的？其原理是什么？什么问题的？其原理是什么？12.单电源互补对称功放的输出功率、管耗、电单电源互补对称功放的输出功率、管耗、电源供给的功率和效率的计算与双电源的计算有何不源供给的功率和效率的计算与双电源的计算有何不同？同？7.什么是交越失真？其产生的原因是什么？如何什么是交越失真？其产生的原因是什么？如何克服？克服？8.乙类互补对称功放的分析计算：乙类互补对称功放的分析计算：Po、Pomax、PT1、PT2、PE、PT1max 及其与及其与Pomax的关系。的关系。第35页，共36页，编辑于2022年，星期三作业作业5.1.15.2.3、5.2.45.3.3、5.3.5第36页，共36页，编辑于2022年，星期三